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    8個重要材料將推動電池市場

    放大字體  縮小字體 發布日期:2021-10-28
     隨著電動汽車市場的持續增長,對某些電池原材料的需求可能變得至關重要。

    2012年,全球電動汽車(EV)銷售總量約為125,000輛。2020年,包含電池電動汽車和插電式混合動力車在內,共銷售320萬輛,2021年預計全球電動汽車銷量將超過600萬輛。到2030年,每年新電動汽車銷量預計達到3000萬輛。隨著業務量繼續急劇增長,生產電動車電池的原材料也隨之大幅增長。目前,世界電池需求在280GW,到2030年需求量將達到2000GW至4000GW之間。

    選擇電池使用的鋰離子化學,鎳鈷錳(NCM)或磷酸鐵鋰(LFP)為正極材料。鎳鈷錳電池有更顯著的能量密度,使電動汽車有更長的續航里程,但是價格也非常高。

    由于鎳鈷錳鋰離子電池滿足了許多電動汽車駕駛員的需求,它們將繼續主導市場。這些電池面臨各種各樣的供應問題,像是鎳、鈷與鋰的采購,用來制造電池。

    在9月中旬美國密歇根州諾維舉行的The Battery Show電池展,主題有電池原材料、精煉與替代電池化學品等話題。以下是我們從一些頂尖專家的各種演講和討論中獲得的一些見解。

     

    Nickel

    高能量密度與高功率密度商用鋰離子電池都采用是鎳基陰極。氧化鎳與錳和鈷的結合制成鎳鈷錳電極,呈晶體結構,可接受放電過程中來自石墨陽極的鋰離子,也可在充電過程中使鋰離子返回陽極。

    最初,鎳鈷錳陰極包含等量的鎳、錳和鈷(NMC 111),然而鈷的成本太高,其供應問題是研究人員致力于減少甚至消除鈷在陰極結構中的含量。NMC811(鈷的含量僅占10%)已經出現在一些電動汽車制造商的電池中。通用汽車(GM)與LG新能源生產的新型Ultium電池中鎳、鈷、錳的比例分別是90%、5%、5%。

    直到兩年前,需求鎳的最多的是不銹鋼,但是現在電池生產已經成為主要市場。不幸的是,生產電池所需必須是一級鎳,純度在99.99999%,這要比生產不銹鋼所用的鎳鐵級(含有30%-50%的鐵)的成本高出許多。利用高壓酸浸(HPAL)這種方法將鎳鐵煉制成一級鎳是非常昂貴的,每公噸的成本在5000至6000美元之間,而且對環境也會造成不好的影響。

    鎳在一輛擁有75kWh鋰離子電池組的特斯拉中含量有70公斤,占整個電池組的10%。像是特斯拉和大眾等主要OEM汽車制造商正在為未來的生產簽訂鎳合同。只有三家可以生產鎳的大型公司能夠生產出主要OEM想要的25,000至50,000公噸的鎳,其他公司規模較小且生產量少,每年只能產出大約3000至6000公噸。

    一級鎳的價格目前大約每公噸20,000美元,但如果他們講鎳的價格提升至每公噸45,000至60,000美元,有望推行其他解決方案,例如鋰硫,并將獲得更多的研究資金。

     

    Lithium

    我們雖稱鋰離子電池,但實際上鋰的重量僅占2%。鋰在充電過程中以離子的形式在陰極(正極)與陽極(負極)之間移動,放電時以反方向移動。因此,即便鋰的含量不多,但起到重要作用。

    鋰的來源主要有兩種途徑。鋰輝石是一種礦物質,其中含有鋰,通過硬巖開采成為澳大利亞電池材料最大供應商之一,占世界產量的53%。它在露天礦開采,經過一些初步處理,運往中國,轉化為氫氧化鋰電池材料。

    鋰電池材料的另一主要資源在南美洲,富含鋰的鹽水是從地下含水層抽取,并分布在巨大的太陽能池中。3-5年后,水蒸發后留下鹽分,鋰便從這些鹽分中提取、加工,運送到中國,使其成為碳酸鋰電池的原材料。智利生產鋰占全球21.5%,阿根廷占8.3%,巴西與玻利維亞等地還在開發中。

    前幾年,鋰的總產量每年大約在120,000公噸至130,000公噸。而今年產量超過300,000公噸,來自McKinsey & Co.的Ken Hoffman在The Battery Show上表示2030的預計需求將達到每年200萬 至300萬公噸?,F在,鋰的長期價格在每公噸12,000美元至15,000美元之間,但最近幾年,價格也出現了波動。

    電池中除了碳酸鋰和氫氧化鋰材料,還有許多鋰產品。碳酸鋰從鹽水中提取,成本很便宜。大約一半的NCM 622陰極使用碳酸鹽,但一旦鎳的含量超過60%,需要使用氫氧化鋰才能獲得可接受的結果。一個原因可能是碳酸鹽具有大的不規則形狀的顆粒,而氫氧化物是水溶性的,在初始鋰化反應過程中更容易進入陰極結構。

    從地質學角度說,全球有很多鋰,甚至還存在海水中,但提取鋰并將其提煉成電池材料的成本很高。目前,對大多數的鋰材料都來自中國。

     

    Cobalt

    鈷也是電池材料的一種,通常在鋰離子電池中認為是不好的。電池在放電過程中,鋰離子儲存在晶格中時,鈷可以有助于氧化鎳正極材料結構。剛果民主共和國(The Democratic Republic of the Congo)可以生產鈷占全球60%。

    剛果的政治局勢不穩定,盡管大多數鈷產自經營礦山,但有人指出少量鈷是通過童工和侵犯人權的開采的,這讓世界各地的汽車公司感到緊張,他們需要確保電池中使用的鈷只來自正規渠道。

    目前,每年用于電池生產的鈷大約150,000至160,000公噸,再加上來源問題,鈷是昂貴的,研究人員已經開始放棄使用鋰離子電池中鈷元素了。最初的NCM111陰極材料中含有33%的鈷,現在的陰極材料NCM811只含有10%的鈷,新Ultima電池使用NCM955的鈷含量僅占5%。特斯拉使用鎳鈷鋁(NCA)電池僅含有3%的鈷。

    鈷昂貴的其中一個原因是它是銅和鎳開采的副產品,只有少數公司控制其生產,因此價格昂貴。隨著時間的推移,電池陰極對鈷的需求越來越少,回收利用將成為鈷的良好來源,高成本使其成為循環經濟的驅動力之一。

     

    Copper

    由于電池是電氣設備,所以線路和電路布局也是會使用到銅的。汽車實際上是移動電腦系統,因此電纜和連接器增加了對高導電金屬的需求。

    電動汽車中用于電動機繞組和電線中使用大量的銅,如果不將其。直接使用在鋰離子電池,則銅將成為電氣化成本的重要組成部分。一輛電動汽車的銅含量大約是內燃機(ICE)汽車的四倍。部分原因是由于所有的汽車都安裝各種安全和娛樂系統,因此所需的線路增加,還有一部分原因是由于電池組內部使用的銅箔厚度減小所致。背面使用一層薄薄的銅箔作為集電器(非電解液)收集電子流并使其變薄的石墨陽極的一側減少了電動汽車中銅的總重量。銅在內燃機汽車中大約占23-26公斤,而在電動汽車中占37-55公斤。

    雖然更薄的箔和更高效的電線減少銅在電動汽車的數量,但是快速充電和廣泛的公共充電設施的轉變在電氣化交通系統中將需要更大量的銅。

    銅在全世界都有開車,其價值足以在鋰離子電池中回收。大量的銅被用于電動汽繞組中,電動汽車中使用的電線也是也是回收目標。

     

    Manganese

    錳與鎳和鈷混合在鋰離子電池陰極中可以提高電池能量,延長電池壽命。錳可以容納很多電子(如鎳),但是不能釋放很多,所以使錳電池的能量密度降低。

    錳是地球上最富有的金屬元素,與鈷和鎳相比之下錳的成本最低,所以在陰極中增加錳元素可以減少電池的成本。如果鎳的價格飆升,那么可能就會制造出高錳電池(錳含量超過50%),盡管鎳錳電池的能量密度是每公斤260-280瓦時(Wh/kg),但也無法達到高鎳鋰離子電池所能提供能量密度。

    錳最初在非洲、澳大利亞、南美開采,消耗的90%的錳作為合金元素用于煉鋼。作為電池材料,錳必須具有非常高的純度。錳相對容易回收,但作為一種原始金屬,它的低成本無助于鋰離子回收的經濟性。

     

    Aluminum

    鋰離子電池中鋁幾乎占了三分之一。幾乎在所有情況下,鋁不會參與任何電化學反應。相反,鋁箔被用于氧化鋅陰極(正極)的背襯和集電器。在制造過程中,將含鎳漿料或泥漿涂在鋁箔上,并在烘箱中烘干,形成電極。

    特斯拉和松下使用一種電池化學反應鎳鈷鋁(NCA),鋁作為陰極材料的一部分,使其與部分電化學反應。鎳鈷鋁電池以高功率輸出而聞名,這也是特斯拉選擇這種電池的原因。

    鋁分布在全球的各個礦物鋁土礦。這種輕質金屬需要大量的電力才能從礦石中提煉出來,因此鋁廠通常位于能夠獲得低成本水力發電的地區。

     

    Lithium-Iron-Phosphate (LFP)磷酸鐵鋰

    由于磷酸鐵鋰(LFP)電池的陰極不含鎳或鈷,因此磷酸鐵鋰電池的陰極成本要比鎳鈷錳陰極便宜很多。磷酸鐵鋰電池被認為是比鎳鈷錳陰極更安全的陰極,并且更牢固。

    磷酸鐵鋰的缺點是能量密度。磷酸鐵鋰電池可以產生170Wh/kg,與鎳鈷錳提供的300Wh/kg相比較差。所以在同等大小的電池組下,電動汽車的續航里程較短。

    盡管有各種局限性,最近很多人對磷酸鐵鋰重新產生了興趣。并不是每輛電動汽車都需要有超過300英里的續航里程,對于市區或通勤來說,磷酸鐵鋰電池或許已經綽綽有余了,電池的成本也可以節約25%。由于磷酸鐵鋰電池的安全性能更高,可以去除一些電池監控和安全系統,可以為更多電池提供空間。特斯拉正在中國生產的Model3內使用磷酸鐵鋰電池,大眾汽車表示磷酸鐵鋰將來在體積更小、性能稍低的電動汽車生產線中有更好的前景。

    儲存太陽能和風能的可再生能源的固定電池也是磷酸鐵鋰電池的一個良好應用。成本低、穩定性高、循環性號、安全性以及缺少貴重的鎳和鈷材料使磷酸鐵鋰在各個應用中更有吸引力。


    Lithium-Sulfur硫化鋰

    如果鎳的價格完全失控,鋰硫電池準備就緒。硫磺資源豐富且價格低廉,再有成本優勢,鋰硫電池的存儲能力是同等重量的鋰離子電池2-5倍的能量,最高可達900Wh/kg。

    然而,需要解決的一個問題是鋰硫電池中硫電極隨著鋰離子從硫陰極插入和去除而呈現出大幅度膨脹和收縮,導致鋰硫電池迅速劣化,減少鋰的儲存量。電解液也會與暴露的硫發生反應,合成化合物,在相對較少的循環次數內降低電池容量。這些問題正在研究中,人們對鋰硫電池的達到共識還需要幾代人的時間。

     

    中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯

    2021.10.20

     
    關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
    本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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